CN103066395B - 基于完全吸收器的低rcs微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微带天线，特别涉及一种基于完全吸收器的低RCS微带天线。完全吸收器是在具有金属接地板的环氧玻璃纤维介质基板上刻蚀多种不同几何参数的圆片或者圆环结构单元组成，并且通过调控圆片或圆环的种类，可调节吸收带宽，即增加圆片或圆环的种类，可扩展完全吸收器的带宽。先将完全吸收器单元周期性排列制备成样品，然后将普通微带天线嵌入完全吸收器中，加载完全吸收器之后，微带天线的RCS减少8dB-15dB，同时天线仍保持好的辐射模式。由于本发明的吸收器仅用单层电路板结构便可以实现减小微带天线的RCS，具有结构简单、成本低、制备方便、RCS缩减较高的优点。

Description

基于完全吸收器的低RCS微带天线

技术领域本发明涉及一种微带天线，特别涉及一种基于完全吸收器的微带天线，利用超材料完全吸收器对电磁波的吸收作用，减小天线的雷达散射截面(RadarCrossSection，RCS)。

背景技术在电子战和信息战飞速发展的今天，如何降低天线的雷达散射截面(RCS)使天线系统免受电子干扰、免遭敌方雷达的探测和攻击而有效的工作，已经不仅关系到天线系统的生命力，而且影响到其载体的电磁隐身性能，从而直接影响天线载体如飞行器等的生存能力。因此，开发和设计地雷达散射截面的机载天线系统具有十分重要的意义。微带天线作为一种新型的天线，其具有体积小、重量轻、剖面低、易共形、易集成以及低成本等优点得到人们的青睐，被广泛应用于雷达、卫星通信、移动通信等各种无线通信设备中，但微带天线也有诸如效率低、增益低等缺点，并且由于微带天线的谐振特性，使其在谐振频率上有较高的RCS值，如何降低微带天线的RCS成为亟待解决的问题。

超材料是一种由人工设计为结构组成的材料，按周期或非周期性的排列方式组成，并且材料的工作波长远大于这些微结构。2008年Landy在超材料的基础上提出了一种完美吸收器，当电磁波入射到完全吸收器时，其对电磁波既不反射也不透射的作用，表现出完全吸收特性。基于超材料的完全吸收器由于其完美的吸收电磁波的特殊性能为设计性能优异的微波吸收器件和实现天线隐身打开了新的研究思路。本发明将超材料完全吸收器和普通微带天线嵌套起来，利用完全吸收器对电磁波的吸收作用降低天线的RCS。发明内容本发明的目的是提供一种低RCS的微带天线，通过超材料吸收器和微带天线的嵌套组合降低微带天线的RCS。该超材料吸收器是在具有金属接地板的环氧玻璃纤维介质基板上刻蚀多种不同几何参数的圆片或者圆环结构单元组成，并且通过调控圆片或圆环的种类，可调节吸收带宽，即增加圆片或圆环的种类，可扩展完全吸收器的带宽。当圆环结构的种类在从两种扩展到八种不同圆环组合时，即当取圆片半径介于2.8mm至4.15mm之间时，按不同种类排列，可使50％吸收率的吸收带宽在0.45GHz至3.1GHz之间调节。当圆环结构的种类在从两种扩展到八种不同圆环组合时，即当圆环外环半径介于3.05mm至4.05mm之间，且每种圆环的内环半径与外环半径之差均为2.2mm时，将其按不同种类排列，50％吸收率带宽可在0.55GHz至3.52GHz之间调节。微带天线是在聚四氟乙烯介质板上通过刻蚀技术制作而成的微带天线。通过调节完全吸收器的几何参数使其吸收频段包括微带天线的工作频段，利用完全吸收器对电磁波的吸收作用实现RCS的减缩。由于本发明的吸收器带宽可以通过调节圆片或者圆环的种类进行调控，因此，根据不同带宽的微带天线，可选用不同带宽的吸收器。本发明的超材料完全吸收器和微带天线的组合仅由单层结构便可实现，结构简单，便于制备，减缩效果明显。相比较于未加吸收器的微带天线，正向(零度方向)RCS减小8dB-15dB，同时天线仍保持很好的辐射性能。

附图说明

图1本发明实施例一的完全吸收器的结构单元示意图和吸收特性

图2本发明实施例一的基于完全吸收器的微带天线示意图

图3本发明实施例一的基于完全吸收器的微带天线性能

图4本发明实施例二的基于完全吸收器的微带天线性能

图5本发明实施例三的完全吸收器的结构单元示意图和吸收特性

图6本发明实施例三的基于完全吸收器的微带天线性能

图7本发明实施例四的宽频带完全吸收器的结构单元示意图和吸收特性

图8本发明实施例四的基于完全吸收器的宽频带微带天线示意图

图9本发明实施例四的基于完全吸收器的宽频带微带天线性能

具体实施方式采用电路板刻蚀技术制作基于完全吸收器的低RCS微带天线，首先采用电路板刻蚀技术制备完全吸收器，在厚度为0.8mm的环氧玻璃纤维介质基板11(相对介电常数为4.65、损耗角正切为0.025)的正面刻蚀不同大小的金属铜圆片结构或者金属铜圆环结构12，介质基板的反面为金属铜接地板，其几何大小与环氧玻璃纤维介质基板的大小相同，设计的完全吸收器单元为l×l＝40mm×40mm。将完全吸收器按照3×3单元阵列排布，并将其中间一个单元去掉使其镂空以便与天线整合。然后再制备微带天线，在厚度为0.8mm、几何大小为40mm×40mm的聚四氟乙烯介质基板21(相对介电常数为2.65、损耗角正切为0.009)的一面刻蚀金属铜辐射贴片22或铜辐射贴片和寄生贴片23，在另一面为金属铜接地板，采用同轴馈电的方式给天线馈电24，将普通微带天线嵌入完全吸收器中间的镂空处，组合成为本发明中的基于完全吸收器的低RCS微带天线。本发明实施例中使用了四种不同带宽的完全吸收器，将以上的完全吸收器分别和相应频段工作的微带天线组合，得到不同工作频段的低RCS微带天线。

本发明的实现过程和材料性能由实施例和附图说明：

实施例一：

采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm、相对介电常数为4.65、损耗角正切为0.025的环氧玻璃纤维介质基板的正面刻蚀四种不同大小的金属铜圆片结构单元(其半径分别为r₁，r₂，r₃，r₄)，介质基板的反面完全覆盖金属铜，结构单元的大小为l×l＝40mm×40mm，各种不同圆片的半径分别为r_l＝3.9mm、r₂＝3.8mm、r₃＝4.0mm、r₄＝4.1mm，四种圆片的排布方式如图1(a)所示。将吸收器按照3×3单元阵列排列，并将其中间一个单元去掉，以便与天线整合。图1(b)为完全吸收器的吸收特性，50％吸收率工作频带为8.94GHz-9.91GHz(吸收带宽为0.97GHz)。采用电路板刻蚀技术，在40mm×40mm的聚四氟乙烯介质(基板厚度0.8mm、相对介电常数2.65、损耗角正切0.009)的正面中心刻蚀矩形贴片，矩形贴片为8.5mm×9.7mm，介质基板背面为全金属铜作为天线的接地板，采用背部馈电方式，馈电点位于贴片中心下方2.3mm处，将微带天线嵌入完全吸收器中的镂空处，使用强力胶将二者粘牢，制作成为基于完全吸收器的低RCS微带天线(图2)。图3为本发明实施例天线的性能，图3(a)为天线的回波损耗特性，天线的中心频率为9.53GHz，10dB工作频带为9.25GHz-9.9GHz，天线的工作频段在吸收器的吸收频段内。图3(b)为中心频率处天线的辐射模式，其具有较好的辐射特性。图3(c)为天线的RCS，其零度方向RCS为-16dB。相比较于未加完全吸收器的相同大小的普通微带天线，其零度方向RCS减小了8.2dB。

实施例二：

采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm、相对介电常数为4.65、损耗角正切为0.025的环氧玻璃纤维介质基板的正面刻蚀四种不同大小(其半径分别为r₁，r₂，r₃，r₄)的金属铜圆片结构单元，介质基板的反面完全覆盖金属铜，结构单元的大小仍为l×l＝40mm×40mm，其结构单元与图1(a)相同，只是排布的圆片结构的几何参数不同，四种圆片的半径分别为r_l＝3.5mm、r₂＝3.4mm、r₃＝3.6mm、r₄＝3.7mm，半径相同的两个相邻的同种圆片之间的距离仍为将吸收器按照3×3单元分布排列，并将其中间一个单元去掉，以便与天线整合。对于这种几何参数的吸收器，其50％以上吸收率工作频带为9.85GHz-10.9GHz(吸收带宽为1.05GHz)。采用电路板刻蚀技术，在40mm×40mm的聚四氟乙烯介质(基板厚度0.8mm、相对介电常数2.65、损耗角正切0.009)的正面中心刻蚀矩形贴片，矩形贴片为7.8mm×9.7mm，介质基板背面为全金属铜覆盖，采用背部馈电方式，馈电点位于贴片中心下方2.3mm处，将微带天线嵌入完全吸收器的镂空中，使用强力胶将二者粘牢，制作成为基于完全吸收器的微带天线。图4为本发明实施例天线的性能，图4(a)为天线的回波损耗特性，天线的中心频率为10.18GHz，10dB工作频带为9.9GHz-10.77GHz，天线的工作频段在吸收器的吸收频段内。图4(b)为中心频率处天线的辐射模式，其具有较好的辐射特性。图4(c)为天线的RCS，其零度方向RCS为-20.6dB，相比较于未加完全吸收器的相同大小的普通微带天线，其零度方向RCS减小了12.1dB。

实施例三：

采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm、相对介电常数为4.65、损耗角正切为0.025的环氧玻璃纤维介质基板的正面刻蚀六种不同大小(其半径分别为r₁，r₂，r₃，r₄，r₅，r₆)的金属铜圆片结构单元，介质基板的反面完全覆盖金属铜，结构单元的大小仍为l×l＝40mm×40mm，圆片的半径分别为r_l＝3.3mm、r₂＝3.2mm、r₃＝3.4mm、r₄＝3.5mm，r₅＝3.15mm、r₆＝3.05mm，六种圆环的排布方式如图5(a)所示，将完全吸收器按照3×3单元阵列排布，并将其中间一个单元去掉使其镂空，以便与天线整合。图5(b)为吸收器的吸收特性，对于此种排布的吸收器，其50％以上吸收率工作频带为10.81GHz-12.57GHz(吸收带宽为1.76GHz)。采用电路板刻蚀技术，在40mm×40mm的聚四氟乙烯介质(基板厚度0.8mm、相对介电常数2.65、损耗角正切0.009)的正面中心刻蚀矩形贴片，矩形贴片为6.4mm×9.6mm，介质基板背面为全金属铜覆盖，采用背部馈电方式，馈电点位于贴片中心下方2.3mm处，将微带天线嵌入吸收器的镂空中，使用强力胶将二者粘牢，制作成为超材料完全吸收器微带天线。图6为本发明实施例天线的性能，图6(a)为天线的回波损耗特性，天线的中心频率为11.7GHz，10dB工作频带为11.33GHz-12.15GHz，天线的工作频段包含在吸收器的吸收频段内。图6(b)为中心频率处天线的辐射模式，天线具有较好的辐射特性，图6(c)为天线的RCS，其零度方向RCS为-17.5dB，相比较于未加完全吸收器的相同大小的普通微带天线，其零度方向RCS减小了10.2dB。

实施例四：

采用电路板刻蚀技术，在厚度为0.8mm、相对介电常数为4.65、损耗角正切为0.025的环氧玻璃纤维介质基板的正面刻蚀八种不同的金属圆环结构，介质基板反面为完全金属铜结构，结构单元的大小仍为l×l＝40mm×40mm，八种金属铜圆环的外径分别为r_l外＝3.5mm，r₂＝3.4mm，r₃＝3.6mm，r₄＝3.7mm，r₅＝3.35mm，r₆＝3.25mm，r₇＝3.15mm，r₈＝3.05mm，其各个圆环的内径为r_i内＝r_i-d，其中r_i为第i个圆环外径，r_i内为第i个圆环内径，d＝2.2mm，八种圆环的排布方式如图7(a)所示。将吸收器按照3×3单元排布，并将其中间一个单元镂空。图7(b)为吸收器的吸收特性，50％以上吸收率工作频带为9.35GHz-11.98GHz(吸收带宽为2.63GHz)，其具有宽频吸收特性。为此采用电路板刻蚀技术制备了宽频带微带天线，在40mm×40mm的聚四氟乙烯介质(基板厚度0.8mmmm、相对介电常数2.65、损耗角正切0.009)的正面中心刻蚀主辐射矩形贴片和附加寄生贴片，矩形贴片尺寸为6.5mm×9.7mm，四块寄生贴片尺寸为2.3mm×7.8mm，分别位于主辐射矩形贴片的四周且与主贴片的距离为4mm。介质基板背面为全金属铜覆盖，采用背部馈电方式，馈电点位于主辐射贴片中心下方2.3mm处，将微带天线嵌入超材料吸收器的镂空中，使用强力胶将二者粘牢，制作成为基于完全吸收器的宽频带微带天线如图8所示。图9为本发明实施例天线的性能，图9(a)为天线的同波损耗特性，天线的10dB工作频带为9.87GHz-11.1GHz(天线带宽为1.23GHz)，天线的工作频段包含在吸收器的吸收频段内。图9(b)为中心频率处天线的辐射模式，天线具有好的辐射特性。图9(c)为天线的RCS，其零度方向RCS为-22.6dB，相比较于未加完全吸收器的相同大小的普通微带天线，其零度方向RCS减小了14.7dB。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利覆盖的范围内。

Claims (4)

1.一种基于完全吸收器的低RCS微带天线，组成包括：环氧玻璃布介质基板、聚四氟乙烯介质基板、金属吸收圆片或圆环、金属辐射贴片、金属接地板、馈电网络，其主要特征是将完全吸收器加载到普通微带天线即在具有金属接地板的环氧玻璃纤维介质基板上刻蚀多种不同几何参数的圆片或者圆环结构单元，用于减少天线的RCS，吸收器的吸收带宽可以通过金属吸收圆片或圆环的种类调控，当圆片结构单元由两种到八种不同半径组成，当取圆片半径介于2.8mm至4.15mm之间时，其50％吸收率的吸收带宽在0.45GHz至3.1GHz之间调节；当圆环结构单元由两种到八种不同几何参数组成，当取圆环的外环半径介于3.05mm至4.05mm时，且每种圆环的内环半径与外环半径之差均为2.2mm时，其50％吸收率的吸收带宽在0.55GHz至3.52GHz之间调节，根据微带天线的带宽选择相应带宽的完全吸收器，加载完全吸收器的微带天线与未加载吸收器的普通微带天线相比，天线RCS减少了8dB-15dB，同时天线仍保持好的辐射特性。

2.如权利要求1所述的基于完全吸收器的低RCS微带天线，根据天线的带宽选择相应带宽的完全吸收器，完全吸收器的工作频率、带宽包含天线的中心工作频率与带宽。

3.如权利要求1所述的基于完全吸收器的低RCS微带天线，完全吸收器与天线是分别采用两种不同材质的介质基板，完全吸收器采用环氧玻璃布介质基板，天线采用聚四氟乙烯介质基板。

4.如权利要求1所述的基于完全吸收器的低RCS微带天线，普通微带天线嵌套于完全吸收单元阵列的中间镂空处，并用强力胶固定。